CN112711195A - 一种sil的船舶自动控制仿真测试平台及仿真测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SIL的船舶自动控制仿真测试平台及仿真测试方法，所述仿真测试平台包括船模编辑模块、控制算法编辑模块、虚拟场景编辑模块及仿真演示模块，所述船模编辑模块、所述控制算法编辑模块、所述虚拟场景编辑模块分别连接所述仿真演示模块，所述船模编辑模块用于编辑船模参数，所述控制算法编辑模块用于加载各种算法并设置其参数，所述虚拟场景编辑模块用于编辑各种复杂的测试场景，所述仿真演示模块用于加载船模、测试场景与算法，并通过输入的控制指令将船模按照指定的算法在编辑的测试场景下展示其运动控制效果。本发明测试灵活、成本低，且测试工况复现方便，有利于缩短船舶自动控制中算法的开发测试周期。

Description

一种SIL的船舶自动控制仿真测试平台及仿真测试方法

技术领域

本发明属于船舶仿真测试技术领域，具体涉及一种SIL的船舶自动控制仿真测试平台及仿真测试方法。

背景技术

随着越来越多高性能船舶的发展与工程应用，包括船舶智能避碰、自动靠离泊、航向航迹智能控制、无人船自动控制等，船舶运动控制对精度的要求进一步提高，各船舶科研单位及院校在船舶控制方向做了大量的研究工作，其中很重要的一项工作是各种控制算法的设计与优化，在不同应用场景下采用不同的控制算法达到的控制效果不同，要测试控制效果一般有实船验证与仿真验证两种方式，其中实船验证成本高、危险系数大，仿真验证成本低、速度快，计算精度较大程度影响控制结果。考虑到船舶控制技术需要大量的算法支持，而算法研究是个不断迭代的过程，在算法不成熟的条件下，遵循从纯模型的仿真、到半实物仿真再到实船试验，可大大提高研发效率、降低试验成本，这将成为船舶控制算法研究的趋势。

当前船舶仿真验证平台尚无成型产品，各单位多采用原有的船舶驾驶模拟器作为仿真验证环境，虽能进行验证，但由于船舶驾驶模拟器作为半实物仿真的环境，其主要用途是驾驶员操船训练，对于控制算法开发人员调试算法而言，操作并不方便，且船舶与场景设定功能单一，不便于完成复杂条件的控制验证工作。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种SIL的船舶自动控制仿真测试平台，本发明能够为船舶自动控制算法的快速迭代提供平台，测试灵活、成本低，且测试工况复现方便，有利于缩短船舶自动控制中算法的开发测试周期。此外，本发明还要提供一种SIL的船舶自动控制仿真测试方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的第一方面，提供一种SIL的船舶自动控制仿真测试平台，包括船模编辑模块、控制算法编辑模块、虚拟场景编辑模块及仿真演示模块，所述船模编辑模块、所述控制算法编辑模块、所述虚拟场景编辑模块分别连接所述仿真演示模块；

所述船模编辑模块包括船模管理子模块、船模参数编辑子模块、三维船模展示子模块；所述船模管理子模块用于新建或打开工程、导入或导出船舶模型、保存船舶参数，所述船模参数编辑子模块用于输入主尺度参数、推进器参数及传感器参数，所述三维船模展示子模块用于展示船模外形；

所述控制算法编辑模块包括算法导入子模块及参数编辑子模块；所述算法导入子模块用于导入船舶六自由度运动算法、船舶智能避碰策略算法及船舶自动控制算法，所述参数编辑子模块用于编辑各个算法相应的参数；

所述虚拟场景编辑模块包括场景管理子模块、场景编辑子模块及场景展示子模块；所述场景管理子模块用于新建场景、导入场景模型及保存场景，所述场景编辑子模块用于增加、删除、固定、移动目标，所述场景展示模块用于展示虚拟场景；

所述仿真演示模块包括仿真控制子模块、仿真计算子模块、仿真演示子模块及仿真报告子模块；所述仿真控制子模块用于控制仿真演示的启动、暂停、继续及停止，设置环境参数，选择控制模式，所述仿真计算子模块用于接收仿真控制子模块的指令，加载算法导入子模块的船舶自由度运动算法、船舶智能避碰策略算法及船舶自动控制算法，解算得到船舶运动姿态及位移，所述仿真演示子模块用于加载船舶参数编辑子模块输出的船模，加载场景编辑子模块输出的场景，加载仿真计算子模块得到的船舶运动姿态及位移，以显示仿真工况。

更进一步地，所述主尺度参数包括船舶总长Loa、垂线间长Lpp、水线长Lw、型宽B、型深D、吃水d、排水量△、菱形系数Cp、方形系数Cb、水线面系数Cw、浮心位置xb、重心高度Zg、初稳性高度GM、湿面积S、纵向受风面积AL、横向受风面积AT。

更进一步地，所述推进器参数包括推进器数量、推进器类型、主机转速N、减速比i、螺旋桨纵向位置、螺旋桨横向位置、螺旋桨直径D、螺距P、盘面比AeAo、舵面积AR、舵高H、舵展舷比λ。

更进一步地，所述传感器参数包括雷达位置、雷达旋转频率、GPS参数、AIS参数、激光测距仪参数。

本发明的第二方面，提供一种SIL的船舶自动控制仿真测试方法，采用上述的SIL的船舶自动控制仿真测试平台，包括以下步骤：包括以下步骤：

步骤一、在船模编辑模块中，通过船模管理子模块导入船舶模型，通过船模参数编辑子模块录入船舶参数，通过三维船型子模块展示船舶外形，形成待测试的船舶模型及参数；

步骤二、在控制算法编辑模块中，通过算法导入子模块导入船舶六自由度运动算法、船舶智能避碰策略算法、船舶自动控制算法，通过参数编辑子模块编辑各个算法相应的参数；

步骤三、在虚拟场景编辑模块中，通过场景管理子模块创建或从本地选取避碰场景，通过场景编辑子模块设置船舶的起点与终点，设置港口、浮标、船只，形成避碰场景；

步骤四、在仿真演示模块中，通过仿真控制子模块设置环境参数，选择控制模式，仿真计算子模块接接收仿真控制子模块发出的指令，加载船模编辑模块形成的待测试的船舶模型及参数，加载算法导入子模块的船舶六自由度运动算法、船舶智能避碰策略算法、船舶自动控制算法，启动运行程序，解算得到船舶运动姿态与位移，通过仿真演示子模块加载船舶模型及参数、避碰场景、船舶运动姿态与位移，以三维场景、二维测试及数据的形式进行展示；

步骤五、开展测试，通过测试结果对船舶六自由度运动算法、船舶智能避碰策略算法、船舶自动控制算法进行调整，反复迭代直至通过测试，输出仿真报告。

更进一步地，所述步骤二中，船舶六自由度运动算法用于计算船舶的操纵性参数，包括启动冲程、各档位车钟对应船速、最大船速、回转直径，计算接活保存在缓存中，并在界面上显示。

更进一步地，所述步骤二中，船舶智能避碰策略算法的可编辑参数包括海洋环境建模参数、协商式避碰参数、反应式避碰参数、紧急避碰参数，所述海洋环境建模参数包括障碍物边界扩展值、障碍物边界膨化值，所述协商式避碰参数包括协商式避碰距离、协商式避碰速度、协商式建模增加值，所述反应式避碰参数包括反应式避碰距离、反应式避碰速度。

更进一步地，所述步骤二中，船舶自动控制算法为PID控制算法，可编辑参数包括Kd、Kp、Ki。

更进一步地，所述步骤五中，仿真报告的内容包括船舶参数、船舶六自由度运动算法版本、操纵性能结构、船舶智能避碰策略算法版本及其参数、船舶自动控制算法版本及其参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明能够为船舶自动控制算法的快速迭代提供平台，在一个软件中快速完成从船模设置、场景搭建、算法接入到仿真展示的整个流程，本发明测试成本低、效率高，便于开发人员进行开发调试，本发明的船舶模型与场景编辑方便，适合完成各种场景下的船舶控制验证工作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明SIL的船舶自动控制仿真测试方法的工作流程图。

图2为本发明SIL的船舶自动控制平台的编辑层示意图。

图3为本发明SIL的船舶自动控制平台的展示层示意图。

其中，附图标记具体说明如下：船模编辑模块1、控制算法编辑模块2、虚拟场景编辑模块3、仿真演示模块4。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例提供一种SIL的船舶自动控制仿真测试平台，包括船模编辑模块1、控制算法编辑模块2、虚拟场景编辑模块3及仿真演示模块4，船模编辑模块1、控制算法编辑模块2、虚拟场景编辑模块3分别连接仿真演示模块4；

船模编辑模块1包括互相通信连接的船模管理子模块、船模参数编辑子模块、三维船模展示子模块；船模管理子模块用于新建或打开工程、导入或导出船舶模型、保存船舶参数，船模参数编辑子模块用于输入主尺度参数、推进器参数及传感器参数，三维船模展示子模块用于展示船模外形；

控制算法编辑模块2包括互相通信连接的算法导入子模块及参数编辑子模块；算法导入子模块用于导入船舶六自由度运动算法、船舶智能避碰策略算法及船舶自动控制算法，参数编辑子模块用于编辑各个算法相应的参数；

虚拟场景编辑模块3包括互相通信连接的场景管理子模块、场景编辑子模块及场景展示子模块；场景管理子模块用于新建场景、导入场景模型及保存场景，场景编辑子模块用于增加、删除、固定、移动目标，场景展示模块用于展示虚拟场景；

仿真演示模块4包括互相通信连接的仿真控制子模块、仿真计算子模块、仿真演示子模块及仿真报告子模块；仿真控制子模块用于控制仿真演示的启动、暂停、继续及停止，设置环境参数，选择控制模式，仿真计算子模块用于接收仿真控制子模块的指令，加载算法导入子模块的船舶自由度运动算法、船舶智能避碰策略算法及船舶自动控制算法，解算得到船舶运动姿态及位移，仿真演示子模块用于加载船舶参数编辑子模块输出的船模，加载场景编辑子模块输出的场景，加载仿真计算子模块得到的船舶运动姿态及位移，以显示仿真工况。

仿真平台分为仿真编辑层与仿真展示层两部分。仿真编辑层中完成船舶模型参数设置、算法接入、场景编辑等功能。仿真展示层主要完成在一定控制指令及环境条件下，通过三维视景、二维曲线、数据、报告等形式展示控制后的运动效果。

实施例2

本实施例提供一种SIL的船舶自动控制仿真测试方法，包括以下步骤：

步骤一、在船模编辑模块1中，通过船模管理子模块导入.ive或.fbx格式的船舶模型，通过船模参数编辑子模块录入船舶参数，保存为.xml格式的本地文件，通过三维船型子模块展示船舶外形，可通过三视图进行查看，也可拖动鼠标360°查看船模，形成待测试的船舶模型及参数。

其中，主尺度参数包括：船舶总长Loa、垂线间长Lpp、水线长Lw、型宽B、型深D、吃水d、排水量△、菱形系数Cp、方形系数Cb、水线面系数Cw、浮心位置xb、重心高度Zg、初稳性高度GM、湿面积S、纵向受风面积AL、横向受风面积AT。

推进器参数包括：推进器数量、推进器类型、主机转速N、减速比i、螺旋桨纵向位置、螺旋桨横向位置、螺旋桨直径D、螺距P、盘面比AeAo、舵面积AR、舵高H、舵展舷比λ。

传感器参数包括：雷达位置、雷达旋转频率、GPS参数、AIS参数、激光测距仪参数。

步骤二、在控制算法编辑模块2中，通过算法导入子模块导入船舶六自由度运动算法、船舶智能避碰策略算法、船舶自动控制算法，通过参数编辑子模块编辑各个算法相应的参数。

船舶六自由度运动算法用于计算船舶的操纵性参数，包括启动冲程、各档位车钟对应船速、最大船速、回转直径，计算接活保存在缓存中，并在界面上显示。

船舶智能避碰策略算法的可编辑参数包括海洋环境建模参数、协商式避碰参数、反应式避碰参数、紧急避碰参数，所述海洋环境建模参数包括障碍物边界扩展值、障碍物边界膨化值，所述协商式避碰参数包括协商式避碰距离、协商式避碰速度、协商式建模增加值，所述反应式避碰参数包括反应式避碰距离、反应式避碰速度。船舶智能避碰策略算法考虑路径规划及避碰策略，船舶在航行过程中，遇到岛屿、船只、漂浮物等静态的、动态的障碍物时，能够根据国际海上避碰规则来调整航向和航速，躲避各类障碍物，实现船舶的智能避障决策，包括协商式避碰、反应式避碰和紧急避碰等在没有障碍物时，能够根据设定的目的地规划航线自动航行，尽可能地减少能源消耗。

船舶自动控制算法为PID控制算法，可编辑参数包括Kd、Kp、Ki。船舶自动控制算法综合考虑船舶装载、操纵性能，针对不同的作业进行控制设计，如迹象控制器、自动舵控制器等。

各算法以.dll的形式保存在本地目录，平台预留固定接口以便.dll文件快速替换与测试。其中，六自由度运动算法、船舶智能避碰策略算法、船舶自动控制算法的开发过程为本领域技术人员所公知技术，不在本发明的保护范围之内。

步骤三、在虚拟场景编辑模块3中，通过场景管理子模块创建或从本地选取避碰场景，通过场景编辑子模块设置船舶的起点与终点，设置港口、浮标、船只，形成典型的避碰场景，例如追越、对遇、交叉等，为后续测试提供基础。场景素材中包含常见的港口、内河航道、航标、危险目标、目标船只等，操作人员可自行构建虚拟场景，保存为.ive或.fbx文件以供调用。

步骤四、在仿真演示模块4中，通过仿真控制子模块设置风、浪、流等环境参数，选择控制模式（手动或自动），仿真计算子模块接接收仿真控制子模块发出的指令，加载船模编辑模块1形成的待测试的船舶模型及参数，加载算法导入子模块的船舶六自由度运动算法、船舶智能避碰策略算法、船舶自动控制算法，启动运行程序，在船舶六自由度运动算法、船舶智能避碰策略算法、船舶自动控制算法的耦合作用下，解算得到船舶运动姿态与位移，通过仿真演示子模块加载船舶模型及参数、避碰场景、船舶运动姿态与位移，以三维场景、二维测试及数据的形式进行展示。手动控制是通过手动操车、舵控制船舶主动进行避让，运动过程中可随时切换控制模式。

步骤五、开展测试，通过测试结果对船舶六自由度运动算法、船舶智能避碰策略算法、船舶自动控制算法进行调整，反复迭代直至通过测试，输出仿真报告，仿真报告的内容包括船舶参数、船舶六自由度运动算法版本、操纵性能结构、船舶智能避碰策略算法版本及其参数、船舶自动控制算法版本及其参数。

尽管上述实施例已对本发明作出具体描述，但是对于本领域的普通技术人员来说，应该理解为可以在不脱离本发明的精神以及范围之内基于本发明公开的内容进行修改或改进，这些修改和改进都在本发明的精神以及范围之内。

Claims (9)

1.一种SIL的船舶自动控制仿真测试平台，其特征在于，包括船模编辑模块、控制算法编辑模块、虚拟场景编辑模块及仿真演示模块，所述船模编辑模块、所述控制算法编辑模块、所述虚拟场景编辑模块分别连接所述仿真演示模块；

所述船模编辑模块包括船模管理子模块、船模参数编辑子模块、三维船模展示子模块；所述船模管理子模块用于新建或打开工程、导入或导出船舶模型、保存船舶参数，所述船模参数编辑子模块用于输入主尺度参数、推进器参数及传感器参数，所述三维船模展示子模块用于展示船模外形；

所述控制算法编辑模块包括算法导入子模块及参数编辑子模块；所述算法导入子模块用于导入船舶六自由度运动算法、船舶智能避碰策略算法及船舶自动控制算法，所述参数编辑子模块用于编辑各个算法相应的参数；

所述虚拟场景编辑模块包括场景管理子模块、场景编辑子模块及场景展示子模块；所述场景管理子模块用于新建场景、导入场景模型及保存场景，所述场景编辑子模块用于增加、删除、固定、移动目标，所述场景展示模块用于展示虚拟场景；

所述仿真演示模块包括仿真控制子模块、仿真计算子模块、仿真演示子模块及仿真报告子模块；所述仿真控制子模块用于控制仿真演示的启动、暂停、继续及停止，设置环境参数，选择控制模式，所述仿真计算子模块用于接收仿真控制子模块的指令，加载算法导入子模块的船舶自由度运动算法、船舶智能避碰策略算法及船舶自动控制算法，解算得到船舶运动姿态及位移，所述仿真演示子模块用于加载船舶参数编辑子模块输出的船模，加载场景编辑子模块输出的场景，加载仿真计算子模块得到的船舶运动姿态及位移，以显示仿真工况。

2.如权利要求1所述的一种SIL的船舶自动控制仿真测试平台，其特征在于，所述主尺度参数包括船舶总长Loa、垂线间长Lpp、水线长Lw、型宽B、型深D、吃水d、排水量△、菱形系数Cp、方形系数Cb、水线面系数Cw、浮心位置xb、重心高度Zg、初稳性高度GM、湿面积S、纵向受风面积AL、横向受风面积AT。

3.如权利要求1所述的一种SIL的船舶自动控制仿真测试平台，其特征在于，所述推进器参数包括推进器数量、推进器类型、主机转速N、减速比i、螺旋桨纵向位置、螺旋桨横向位置、螺旋桨直径D、螺距P、盘面比AeAo、舵面积AR、舵高H、舵展舷比λ。

4.如权利要求1所述的一种SIL的船舶自动控制仿真测试平台，其特征在于，所述传感器参数包括雷达位置、雷达旋转频率、GPS参数、AIS参数、激光测距仪参数。

5.一种SIL的船舶自动控制仿真测试方法，采用权利要求1-4任一项所述的SIL的船舶自动控制仿真测试平台，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、在船模编辑模块中，通过船模管理子模块导入船舶模型，通过船模参数编辑子模块录入船舶参数，通过三维船型子模块展示船舶外形，形成待测试的船舶模型及参数；

步骤二、在控制算法编辑模块中，通过算法导入子模块导入船舶六自由度运动算法、船舶智能避碰策略算法、船舶自动控制算法，通过参数编辑子模块编辑各个算法相应的参数；

步骤三、在虚拟场景编辑模块中，通过场景管理子模块创建或从本地选取避碰场景，通过场景编辑子模块设置船舶的起点与终点，设置港口、浮标、船只，形成避碰场景；

步骤四、在仿真演示模块中，通过仿真控制子模块设置环境参数，选择控制模式，仿真计算子模块接收仿真控制子模块发出的指令，加载船模编辑模块形成的待测试的船舶模型及参数，加载算法导入子模块的船舶六自由度运动算法、船舶智能避碰策略算法、船舶自动控制算法，启动运行程序，解算得到船舶运动姿态与位移，通过仿真演示子模块加载船舶模型及参数、避碰场景、船舶运动姿态与位移，以三维场景、二维测试及数据的形式进行展示；

步骤五、开展测试，通过测试结果对船舶六自由度运动算法、船舶智能避碰策略算法、船舶自动控制算法进行调整，反复迭代直至通过测试，输出仿真报告。

6.如权利要求5所述的一种SIL的船舶自动控制仿真测试方法，其特征在于，所述步骤二中，船舶六自由度运动算法用于计算船舶的操纵性参数，包括启动冲程、各档位车钟对应船速、最大船速、回转直径，计算接活保存在缓存中，并在界面上显示。

7.如权利要求5所述的一种SIL的船舶自动控制仿真测试方法，其特征在于，所述步骤二中，船舶智能避碰策略算法的可编辑参数包括海洋环境建模参数、协商式避碰参数、反应式避碰参数、紧急避碰参数，所述海洋环境建模参数包括障碍物边界扩展值、障碍物边界膨化值，所述协商式避碰参数包括协商式避碰距离、协商式避碰速度、协商式建模增加值，所述反应式避碰参数包括反应式避碰距离、反应式避碰速度。

8.如权利要求5所述的一种SIL的船舶自动控制仿真测试方法，其特征在于，所述步骤二中，船舶自动控制算法为PID控制算法，可编辑参数包括Kd、Kp、Ki。

9.如权利要求5所述的一种SIL的船舶自动控制仿真测试方法，其特征在于，所述步骤五中，仿真报告的内容包括船舶参数、船舶六自由度运动算法版本、操纵性能结构、船舶智能避碰策略算法版本及其参数、船舶自动控制算法版本及其参数。

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